CN102928829A - 空间目标参数反演方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种空间目标参数反演方法，该方法包含以下步骤：1、根据空间目标及探测器的空间轨道位置计算获取观测角大小的变化曲线；2、通过空间微波雷达测量或仿真获取空间目标飞行过程中的动态雷达散射截面曲线，并根据镜面反射机制寻找雷达散射截面峰值；3、利用雷达散射截面峰值对应的观测角确定空间目标姿态；4、根据雷达散射截面从峰值的下降特性反演空间目标的横向尺寸。本发明直接利用空间目标近距离观测的窄带雷达散射截面RCS变化特性数据，实现其观测面内的姿态角及横向尺寸等参数的反演；利用微波雷达观测数据，反演获取目标的姿态参数，可为空间会合等提供参考判断依据；可为空间目标普查中建立特征数据库提供有效手段。

Description

空间目标参数反演方法
技术领域
本发明涉及一种目标电磁散射特性数据处理技术，具体涉及一种空间目标参数反演方法。
背景技术
目前，根据微波散射特性的目标参数反演主要采用成像方式开展，如利用高分辨距离像反演目标径向尺寸参数，利用二维或三维散射图像反演目标姿态参数等。但基于成像的反演方式要求提供目标一定角度范围内的宽带RCS特性，现有空间微波雷达的观测条件难以满足要求。
而在探测器与空间目标交会、对接等过程，探测器与目标距离相对较近，且观测角变化缓慢，目标RCS变化也将较慢，利于研究其小角度范围内的变化特性。同时，卫星等空间目标的形状相对规则，如本体通常为方形或圆柱形，太阳能电池帆板通常为板状，这些外形结构的雷达散射截面（RCS，Radar Cross Section）变化特性具有相似性，可建立其随尺寸、姿态等参数的关系模型，进而进行空间目标参数的反演。目前，未见有利用空间目标小角度RCS变化特性进行参数反演研究的公开技术。
发明内容
本发明提供一种空间目标参数反演方法，根据空间目标外形特征，建立了其雷达散射截面峰值附近小角度范围内的变化特性模型，给出利用动态雷达散射截面峰值位置反演目标姿态、利用雷达散射截面下降特性反演目标尺寸的方法。
为实现上述目的，本发明提供一种空间目标参数反演方法，其特点是，该方法包含以下步骤：
步骤1、根据空间目标及探测器的空间轨道位置计算获取观测角大小的变化曲线；
步骤2、通过空间微波雷达测量或仿真获取空间目标飞行过程中的动态雷达散射截面曲线，并根据镜面反射机制寻找雷达散射截面峰值；
利用微波探测器测量或仿真数据，获取空间目标随轨道位置变化的动态雷达散射截面曲线，散射机制对应的小角度雷达散射截面的变化趋势为：
                （2）
式中，
Figure 201210510686X100002DEST_PATH_IMAGE002
为目标雷达散射截面局部峰值；
Figure 201210510686X100002DEST_PATH_IMAGE003
为偏离雷达散射截面局部峰值观测方向的观测角；
步骤3、利用雷达散射截面峰值对应的观测角确定空间目标姿态；
根据步骤2中获取的雷达散射截面曲线，查找雷达散射截面观测曲线的峰值，此时观测偏离角
Figure 201210510686X100002DEST_PATH_IMAGE004
，对应的观测角
Figure 201210510686X100002DEST_PATH_IMAGE005
即为空间目标在该观测面内的姿态角
Figure 201210510686X100002DEST_PATH_IMAGE006
；
步骤4、根据雷达散射截面从峰值的下降特性反演空间目标的横向尺寸；
先选取雷达散射截面观测曲线的一个峰值；
再查找雷达散射截面曲线下降10dB时的观测偏离角度；
目标尺寸为：
Figure 201210510686X100002DEST_PATH_IMAGE007
                       （7）
式（7）中，
Figure 201210510686X100002DEST_PATH_IMAGE008
为被观测目标尺寸；
Figure 201210510686X100002DEST_PATH_IMAGE009
为观测电磁波波长；
Figure 201210510686X100002DEST_PATH_IMAGE010
为目标雷达散射截面从局部峰值下降10dB时的观测角偏离大小。
上述的空间目标为平板型目标或圆柱形目标。
上述空间目标为平板形目标，在其镜面反射雷达散射截面峰值附近，其小角度雷达散射截面变化趋势为：
 （3）
Figure 201210510686X100002DEST_PATH_IMAGE012
                  （4）。
上述空间目标为圆柱形目标，在其镜面反射RCS峰值附近，其小角度雷达散射截面变化趋势为：
Figure 201210510686X100002DEST_PATH_IMAGE013
 （5）
                                            （6）。
本发明基于小角度雷达散射截面变化特性的空间目标参数反演方法和现有技术的目标参数反演相比，其优点在于，本发明直接利用空间目标近距离观测的窄带雷达散射截面RCS变化特性数据，实现其观测面内的姿态角及横向尺寸等参数的反演；
本发明方法利用微波雷达观测数据，反演获取目标的姿态参数，可为空间会合等提供参考判断依据；
本发明中的反演方法，可为空间目标普查中建立特征数据库提供有效手段；
本发明方法反演的空间目标特征参数，还可为空间目标的识别提供依据。
附图说明
图1为本发明空间目标参数反演方法的流程图；
图2为本发明空间目标参数反演方法的观测角示意图；
图3为本发明空间目标参数反演方法的空间目标的观测角变化曲线图；
图4为本发明空间目标参数反演方法的空间目标小角度内的雷达散射截面变化趋势图；
图5为本发明空间目标参数反演方法的空间目标的雷达散射截面变化曲线图。
具体实施方式
以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。
本发明公开一种基于小角度雷达散射截面（RCS，Radar Cross Section）变化特性的空间目标参数反演方法的实施例。本实施例中以某卫星目标为例，该卫星目标本体尺寸为1.2米，并假定该卫星目标轨道为圆形，探测器轨道为扁椭球形。
如图1所示，该空间目标参数反演方法包含以下步骤：
步骤1、根据空间目标（即卫星目标）及探测器的空间轨道位置计算获取观测角
Figure 201210510686X100002DEST_PATH_IMAGE015
大小的变化曲线。
观测角
Figure 582198DEST_PATH_IMAGE015
的大小一般可由空间目标及探测器的空间轨道位置计算。如图2所示，这里观测角
Figure 695648DEST_PATH_IMAGE015
的定义选取空间目标的轨道局部坐标系，该坐标系X轴取空间目标的飞行方向，Y轴取空间目标指向地球中心的方向，观测角则取探测器至目标连线与X轴夹角，根据飞行轨道位置的不同，观测角
Figure 782869DEST_PATH_IMAGE015
将在一定范围内变化，这里记为。
由于本实施例中，假定空间目标的轨道为圆形，探测器的轨道为扁椭球形，则空间目标轨道的轨道方程则设为
Figure 201210510686X100002DEST_PATH_IMAGE017
，探测器轨道的轨道方程设为
Figure 201210510686X100002DEST_PATH_IMAGE018
。
假定空间目标的轨道位置为
Figure 201210510686X100002DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 201210510686X100002DEST_PATH_IMAGE020
，探测器的轨道位置为和
Figure 201210510686X100002DEST_PATH_IMAGE022
，若目标为圆形轨道，则观测角
Figure 657416DEST_PATH_IMAGE015
可写为
Figure 201210510686X100002DEST_PATH_IMAGE023
Figure 201210510686X100002DEST_PATH_IMAGE024
           （1）
根据两者轨道位置，利用公式（1）可计算获取观测角的变化曲线，结果如图3所示，其中横坐标为空间目标沿轨道飞行一周的角度位置。
同时，将卫星目标姿态角定义为卫星目标的轴向与图2中X轴夹角，这里记为；根据一般空间目标的形状特征，目标轴向一般与其大面垂直，根据镜面反射机制，目标轴向的后向RCS将存在局部峰值。
步骤2、空间目标动态雷达散射截面（RCS）获取及小角度特性建模，通过微波探测器，例如空间微波雷达，测量或仿真数据获取目标飞行过程中随轨道位置变化的动态雷达散射截面RCS曲线，并根据镜面反射机制寻找雷达散射截面峰值。
同时，由于空间中空间目标一般存在较多的镜面反射型强散射源，例如本体面、太阳帆板面等，这类散射机制对应的小角度RCS的一般变化趋势如图4所示，其中纵坐标为RCS下降量，横坐标为观测角偏离大小，该关系式通常可写为：
    
Figure 201210510686X100002DEST_PATH_IMAGE026
                      （2）
式（2）中，
Figure 201210510686X100002DEST_PATH_IMAGE027
为目标RCS局部峰值；
Figure 201210510686X100002DEST_PATH_IMAGE028
为偏离RCS局部峰值观测方向的观测角。
空间目标通常分为平板型目标和圆柱形目标。
1）对平板形目标，在其镜面反射RCS峰值附近，其小角度RCS变化趋势为：
      （3）
Figure 226730DEST_PATH_IMAGE012
                      （4）
2）对圆柱形目标，在其镜面反射RCS峰值附近，其小角度RCS变化趋势为：
Figure 192412DEST_PATH_IMAGE013
      （5）
Figure 373994DEST_PATH_IMAGE014
                        （6）
如图5所示，本实施例中采用仿真数据获取目标飞行过程中随轨道位置变化的动态雷达散射截面RCS曲线，其中横坐标为空间目标的空间位置，纵坐标为雷达散射截面。假定观测电磁波频率为14GHz，这里采用仿真方式获取目标沿轨道飞行一周的RCS变化曲线，结果其中存在RCS峰值。
步骤3、相对姿态反演，利用雷达散射截面峰值对应的观测角确定空间目标姿态。
根据步骤2中式（3）或式（5）给出的RCS变化特性，当
Figure 201210510686X100002DEST_PATH_IMAGE029
时，空间目标的RCS出现峰值； 因此，通过查找RCS观测曲线的峰值，找出对应的观测角
Figure 201210510686X100002DEST_PATH_IMAGE030
，即为空间目标在该观测面内的姿态角。
如图5所示，本实施例中，读取RCS峰值，约为48.9dBm2，其目标位置分别处于为13.9°及166.2°处；对应的观测角大小为-0.021°及-0.023°，即目标姿态角近似为-0.02°，而实际目标在该平面内姿态角为0°，两者十分接近。
步骤5、空间目标尺寸反演，根据雷达散射截面从峰值的下降特性反演空间目标的横向尺寸。
由于空间目标尺寸与镜面反射贡献的大小相关联，可根据RCS下降一定量时观测角变化直接反演目标尺寸。一般可先获取RCS观测曲线的峰值，再查找RCS曲线下降10dB时的观测偏离角度，目标尺寸则可近似估算为：
                      （7）
式（7）中，
Figure 967284DEST_PATH_IMAGE008
为被观测目标尺寸；
Figure 206635DEST_PATH_IMAGE009
为观测电磁波波长；
Figure 567209DEST_PATH_IMAGE010
为目标RCS从局部峰值下降10dB时的观测角偏离大小（单位为度）。
本实施例中，选取图5中166.2°处RCS峰进行估算，其RCS下降10dB的目标位置角约为164.8°，其对应的观测角变化为0.395°，根据公式（7），可计算目标尺寸约为1.14m，与实际尺寸1.2m相比，相对偏差约为5%，说明了本方法的有效性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种空间目标参数反演方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：
步骤1、根据空间目标及探测器的空间轨道位置计算获取观测角大小的变化曲线；
步骤2、通过空间微波雷达测量或仿真获取空间目标飞行过程中的动态雷达散射截面曲线，并根据镜面反射机制寻找雷达散射截面峰值；
步骤3、利用雷达散射截面峰值对应的观测角确定空间目标姿态；
步骤4、根据雷达散射截面从峰值的下降特性反演空间目标的横向尺寸。
2. 如权利要求1所述的空间目标参数反演方法，其特征在于，所述步骤2包含以下步骤：
利用微波探测器测量或仿真数据，获取空间目标随轨道位置变化的动态雷达散射截面曲线，散射机制对应的小角度雷达散射截面的变化趋势为：
Figure 314179DEST_PATH_IMAGE001
                （2）
式中，
Figure 589303DEST_PATH_IMAGE002
为目标雷达散射截面局部峰值；
Figure 232774DEST_PATH_IMAGE003
为偏离雷达散射截面局部峰值观测方向的观测角。
3. 如权利要求2所述的空间目标参数反演方法，其特征在于，所述的空间目标为平板型目标或圆柱形目标。
4. 如权利要求3所述的空间目标参数反演方法，其特征在于，所述空间目标为平板形目标，在其镜面反射雷达散射截面峰值附近，其小角度雷达散射截面变化趋势为：
Figure 502694DEST_PATH_IMAGE004
 （3）
                        （4）。
5. 如权利要求3所述的空间目标参数反演方法，其特征在于，所述空间目标为圆柱形目标，在其镜面反射RCS峰值附近，其小角度雷达散射截面变化趋势为：
Figure 310430DEST_PATH_IMAGE006
 （5）
                     
Figure 746090DEST_PATH_IMAGE007
                     （6）。
6. 如权利要求1所述的空间目标参数反演方法，其特征在于，所述步骤3包含以下步骤：
根据步骤2中获取的雷达散射截面曲线，查找雷达散射截面观测曲线的峰值，此时观测偏离角
Figure 517737DEST_PATH_IMAGE008
，对应的观测角
Figure 406059DEST_PATH_IMAGE009
即为空间目标在该观测面内的姿态角
Figure 288564DEST_PATH_IMAGE010
。
7. 如权利要求1所述的空间目标参数反演方法，其特征在于，所述步骤4包含以下步骤：
先选取雷达散射截面观测曲线的一个峰值；
再查找雷达散射截面曲线下降10dB时的观测偏离角度；
目标尺寸为：
Figure 641048DEST_PATH_IMAGE011
                       （7）
式（7）中，
Figure 521279DEST_PATH_IMAGE012
为被观测目标尺寸；
Figure 959214DEST_PATH_IMAGE013
为观测电磁波波长；
Figure 379831DEST_PATH_IMAGE014
为目标雷达散射截面从局部峰值下降10dB时的观测角偏离大小。
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